1994年出道，2000年主演的电影《过年回家》入围第56届威尼斯国际电影节，她与刘琳凭此分享第13届新加坡国际电影节最佳女主角奖，然而《过年回家》因国内禁映未引起注意。

2004年，妹妹李雪正式接受李冰冰的经纪人工作，这年李冰冰领衔主演了伍仕贤导演的爱情喜剧电影《独自等待》，凭借角色“梦中情人”刘荣首次入围金鸡奖最佳女主角提名。同年，参演电影《天下无贼》，凭借角色艳贼小叶入围百花奖女配角。此后她又连续2年入围金鸡百花奖最佳女主角。

2005年，主演电视剧《八大豪侠》。直到导演尹力邀她主演电影《云水谣》，该片终使获第12届中国电影华表奖优秀女演员奖、第29届大众电影百花奖最佳女主角奖；并与刘晓庆等主演电视剧《徽娘宛心》饰演叶宛心。

2008年，参演《功夫之王》，饰演白发魔女的李冰冰为了角色的效果，打戏统统亲自上阵；同年，主演爱情电影《蝴蝶飞》，饰演性格偏执的律师助手傅恩佳。

2009年，她凭借在《风声》中表演获得第46届台湾电影金马奖最佳女主角，而后参演多部商业片《狄仁杰之通天帝国》、《枪王之王》、《我愿意 I Do》；同年，成立个人公益品牌"L.O.V.E"，一个以“关爱生命、保护环境”为内容，倡导有责任的生活，通过设立相关主题开展非营利活动的公益组织；12月，作为特邀主持人直击哥本哈根全球气候大会，并发表英文演讲。

2010年，成立了自己的工作室，并作为出品人之一投资了《辛亥革命》。工作室除代理其在国内的演艺业务外，尝试电影投资等多元经营。此后，李冰冰开始减产，对作品品质精益求精；同年，邓文迪邀李冰冰出演好莱坞文艺片《雪花秘扇》女一号。在该片的纽约首映礼上，《生化危机5》导演保罗·安德森找上门来，邀请李冰冰出演女二号艾达王。

2011年，以“烈焰红唇”造型演绎的《时尚芭莎》中国版24周年纪念刊被世界时尚杂志《HARPER’S BAZAAR》在纽约召开主编大会，评选出2010年全球最佳封面，这也是《芭莎》中国版首夺该荣誉，”李冰冰的“烈焰红唇”造型也被挂到了纽约曼哈顿西57街和第8大道交界处的赫斯特大厦，加以展示；同年，获得亚太电影博览会年度电影之星奖。

2012年，因《雪花与密扇》受邀参加第84届奥斯卡金像奖红毯；2月10日，主演的电影《我愿意 I Do》上映；同年9月，李冰冰成为第一位进驻香港杜莎夫人蜡像馆的内地女明星，也是第一位在上海和香港同时拥有蜡像的内地女星，后因钓鱼岛事件缺席《生化危机5》的东京首映会，李冰冰表明立场，发生钓鱼岛事件就绝不去日本；同年10月，她正式签约好莱坞经纪公司UTA本部，该公司代理李冰冰在美国及海外业务。此后，李冰冰只身在洛杉矶学习外语半年。

2013年1月，荣升成为国际奢侈品牌Gucci百年来首位全球代言人（2012年时为亚洲区代言人），她的个人公益品牌L.O.V.E.与Gucci更是深入合作，推出刻着“Gucci and Li Bingbing for Responsible Life”的特别腕表，使她成为第一个把自己的名字和环保概念刻进奢侈品产品的中国明星；同年4月，好莱坞杂志《综艺》（Variety）专门为李冰冰在洛杉矶举办颁奖礼，授予她“亚洲之星”荣誉；8月，参演派拉蒙公司好莱坞电影《变形金刚4：绝迹重生》，饰演女二号负责制造变形金刚的科学家苏月明；11月，在洛杉矶举办的中美电影峰会上，李冰冰被授予“东西方才华奖”；11月底，受邀赴台出任第50届台湾金马奖决审评委。

2014年6月27日，参演的《变形金刚4》上映，电影最终票房19.7亿，打破多项票房纪录，成为当年内地影片票房冠军。

2015年2月19日，主演的《钟馗伏魔：雪妖魔灵》上映，李冰冰评价该片获得第三届伦敦国际华语电影节最具海外影响力演员奖以及最佳女主角奖；同年，担任浙江卫视电视综艺真人秀《我看你有戏》的导师；年底，主演东方帝陵冒险电影《谜巢》，并担任创意制片人。

2016年5月，受邀出席第69届戛纳电影节，其开幕式红毯造型被外国媒体Eonline网站评选为“10大最美造型”；8月，加盟好莱坞电影《巨齿鲨》，饰演女主角海洋生物学家张茵，搭档杰森·斯坦森；12月，登上《T Magazine》封面。

2019年10月，参加浙江卫视原创表演真人秀《我就是演员之巅峰对决》。